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v1 · padrão canônico

Lição 84 — Técnica: substituição (u-substitution)

Substituição u = g(x): inversa da regra da cadeia. A técnica mais usada de integração. Versões indefinida e definida. Reconhecimento de padrão.

Used in: 3.º ano do EM (17 anos) · Equiv. Math II japonês cap. 6 · Equiv. Klasse 12 alemã

f(g(x))g(x)dx=f(u)du,u=g(x)\int f(g(x))\, g'(x)\, dx = \int f(u)\, du, \quad u = g(x)

Substituição: inversa da regra da cadeia. Quando o integrando contém o padrão f(g(x)) · g'(x), troque por u = g(x) e du = g'(x) dx. A integral nova deve ser mais simples.

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Rigorous notation, full derivation, hypotheses

Teorema e procedimento

Teorema da mudança de variável

"A regra de substituição é o equivalente para integração da regra da cadeia para derivação." — OpenStax Calculus Vol. 1, §5.5

Demonstração. Se F=fF' = f, pela regra da cadeia: (Fg)=f(g(x))g(x)(F \circ g)' = f(g(x)) \cdot g'(x). Logo FgF \circ g é antiderivada de f(g(x))g(x)f(g(x)) g'(x). Pelo TFC2:

abf(g(x))g(x)dx=F(g(b))F(g(a))=g(a)g(b)f(u)du.\int_a^b f(g(x)) g'(x)\, dx = F(g(b)) - F(g(a)) = \int_{g(a)}^{g(b)} f(u)\, du. \quad \square

Procedimento mecânico

Sinal de que a substituição vai funcionar

O integrando deve conter f(algo)f(\text{algo}) multiplicado pela derivada do "algo" (ou um múltiplo constante dessa derivada).

Exemplos de padrão:

Integrandouududu
2xex22x\, e^{x^2}x2x^22xdx2x\, dx
cosxesinx\cos x \cdot e^{\sin x}sinx\sin xcosxdx\cos x\, dx
xx2+1\frac{x}{x^2 + 1}x2+1x^2 + 12xdx2x\, dx (precisa ajuste 1/21/2)
x2(x3+1)5x^2(x^3 + 1)^5x3+1x^3 + 13x2dx3x^2\, dx (ajuste 1/31/3)

Exemplos resolvidos

Exercise list

30 exercises · 7 with worked solution (25%)

Application 23Understanding 2Modeling 2Challenge 2Proof 1
  1. Ex. 84.1Application

    Calcule (2x+1)4dx\int (2x+1)^4\, dx.

    Show solution
    Tome u=2x+1u = 2x + 1, du=2dxdu = 2\, dx. Integral: 12u4du=(2x+1)510+C\frac{1}{2}\int u^4\, du = \frac{(2x+1)^5}{10} + C.
  2. Ex. 84.2Application

    Calcule x(x23)5dx\int x(x^2 - 3)^5\, dx.

    Show solution
    Tome u=x23u = x^2 - 3, du=2xdxdu = 2x\, dx. Integral: 12u5du=(x23)612+C\frac{1}{2}\int u^5\, du = \frac{(x^2-3)^6}{12} + C.
  3. Ex. 84.3Application

    Calcule cos3xsinxdx\int \cos^3 x \sin x\, dx.

    Show solution
    Tome u=cosxu = \cos x, du=sinxdxdu = -\sin x\, dx. Integral: u3du=cos4x4+C-\int u^3\, du = -\frac{\cos^4 x}{4} + C.
    Show step-by-step (with the why)
    1. Identifique: sinx\sin x é a derivada de cosx-\cos x; tome u=cosxu = \cos x.
    2. Calcule: du=sinxdxdu = -\sin x\, dx, logo sinxdx=du\sin x\, dx = -du.
    3. Reescreva: cos3xsinxdx=u3(du)=u3du\int \cos^3 x \cdot \sin x\, dx = \int u^3 \cdot (-du) = -\int u^3\, du.
    4. Integre: u4/4+C=cos4x/4+C-u^4/4 + C = -\cos^4 x / 4 + C.
    5. Verifique: (cos4x/4)=4cos3x(sinx)/4=cos3xsinx(-\cos^4 x/4)' = -4\cos^3 x(-\sin x)/4 = \cos^3 x \sin x. Confere.
    Macete: quando o integrando tem (cosx)nsinx(\cos x)^n \sin x, tome u=cosxu = \cos x. Quando tem (sinx)ncosx(\sin x)^n \cos x, tome u=sinxu = \sin x.
  4. Ex. 84.4Application

    Calcule x2ex3+2dx\int x^2 e^{x^3 + 2}\, dx.

    Show solution
    Tome u=x3+2u = x^3 + 2, du=3x2dxdu = 3x^2\, dx. Integral: 13eudu=ex3+23+C\frac{1}{3}\int e^u\, du = \frac{e^{x^3+2}}{3} + C.
  5. Ex. 84.5Application

    Calcule xx2+1dx\int \frac{x}{x^2 + 1}\, dx.

    Show solution
    Tome u=x2+1u = x^2 + 1, du=2xdxdu = 2x\, dx. Integral: 12duu=12lnx2+1+C=ln(x2+1)2+C\frac{1}{2}\int \frac{du}{u} = \frac{1}{2}\ln|x^2 + 1| + C = \frac{\ln(x^2+1)}{2} + C (módulo desnecessário pois x2+1>0x^2+1 > 0).
  6. Ex. 84.6Application

    Calcule cos(3x)dx\int \cos(3x)\, dx.

    Show solution
    Tome u=3xu = 3x, du=3dxdu = 3\, dx. Integral: 13cosudu=sin3x3+C\frac{1}{3}\int \cos u\, du = \frac{\sin 3x}{3} + C.
  7. Ex. 84.7ApplicationAnswer key

    Calcule xex2/2dx\int x e^{-x^2/2}\, dx.

    Show solution
    Tome u=x2/2u = -x^2/2, du=xdxdu = -x\, dx. Integral: eudu=ex2/2+C-\int e^u\, du = -e^{-x^2/2} + C.
  8. Ex. 84.8ApplicationAnswer key

    Calcule (lnx)2xdx\int \frac{(\ln x)^2}{x}\, dx.

    Show solution
    Tome u=lnxu = \ln x, du=dx/xdu = dx/x. Integral: u2du=(lnx)33+C\int u^2\, du = \frac{(\ln x)^3}{3} + C.
    Show step-by-step (with the why)
    1. Observe: (lnx)=1/x(\ln x)' = 1/x. O integrando tem (lnx)2(\ln x)^2 multiplicado por 1/x1/x — padrão perfeito para u=lnxu = \ln x.
    2. Calcule: du=(1/x)dxdu = (1/x)\, dx.
    3. Reescreva: u2du\int u^2\, du.
    4. Integre: u3/3+C=(lnx)3/3+Cu^3/3 + C = (\ln x)^3/3 + C.
    Macete: quando o integrando tem (lnx)n/x(\ln x)^n / x, tome u=lnxu = \ln x — é um padrão-chave.
  9. Ex. 84.9Application

    Calcule sin4xcosxdx\int \sin^4 x \cos x\, dx.

    Show solution
    Tome u=sinxu = \sin x, du=cosxdxdu = \cos x\, dx. Integral: u4du=sin5x5+C\int u^4\, du = \frac{\sin^5 x}{5} + C.
  10. Ex. 84.10Application

    Calcule 43xdx\int \sqrt{4 - 3x}\, dx.

    Show solution
    Tome u=43xu = 4 - 3x, du=3dxdu = -3\, dx. Integral: 13udu=132u3/23+C=2(43x)3/29+C-\frac{1}{3}\int \sqrt{u}\, du = -\frac{1}{3} \cdot \frac{2u^{3/2}}{3} + C = -\frac{2(4-3x)^{3/2}}{9} + C.
  11. Ex. 84.11Application

    Calcule (x+2)(x2+4x)3dx\int (x+2)(x^2+4x)^3\, dx.

    Show solution
    Tome u=x2+4xu = x^2 + 4x, du=(2x+4)dx=2(x+2)dxdu = (2x+4)\, dx = 2(x+2)\, dx. Integral: 12u3du=(x2+4x)48+C\frac{1}{2}\int u^3\, du = \frac{(x^2+4x)^4}{8} + C.
  12. Ex. 84.12Application

    Calcule sin(2x)dx\int \sin(2x)\, dx.

    Show solution
    Tome u=2xu = 2x, du=2dxdu = 2\, dx. Integral: 12sinudu=cos2x2+C\frac{1}{2}\int \sin u\, du = -\frac{\cos 2x}{2} + C.
  13. Ex. 84.13ApplicationAnswer key

    Calcule 12xx2+1dx\int_1^2 \frac{x}{\sqrt{x^2+1}}\, dx.

    Show solution
    Troca de limites: u(1)=1+1=2u(1) = 1+1 = 2, u(2)=4+1=5u(2) = 4+1 = 5. 25du2u=12[2u]25=52\int_2^5 \frac{du}{2\sqrt{u}} = \frac{1}{2}[2\sqrt{u}]_2^5 = \sqrt{5} - \sqrt{2}. Ou: u=x2+1u = x^2 + 1, du=2xdxdu = 2x\, dx.
    Show step-by-step (with the why)
    1. Tome u=x2+1u = x^2 + 1, du=2xdxdu = 2x\, dx, logo xdx=du/2x\, dx = du/2.
    2. Troque os limites: x=1u=2x = 1 \Rightarrow u = 2; x=2u=5x = 2 \Rightarrow u = 5.
    3. Integral em uu: 1225u1/2du=12[2u1/2]25=52\frac{1}{2}\int_2^5 u^{-1/2}\, du = \frac{1}{2} \cdot [2u^{1/2}]_2^5 = \sqrt{5} - \sqrt{2}.
    Macete: trocar os limites na integral definida é mais eficiente — evita voltar para xx antes de avaliar.
  14. Ex. 84.14Application

    Calcule 01exex+1dx\int_0^1 \frac{e^x}{e^x + 1}\, dx.

    Show solution
    Troca de limites: u(0)=1u(0) = 1, u(1)=eu(1) = e. u=ex+1u = e^x + 1, du=exdxdu = e^x\, dx. Integral: 2e+1duu=[lnu]2e+1=ln(e+1)ln2\int_2^{e+1} \frac{du}{u} = [\ln u]_2^{e+1} = \ln(e+1) - \ln 2.
  15. Ex. 84.15Application

    Calcule cotxdx\int \cot x\, dx.

    Show solution
    Reescreva: cotx=cosx/sinx\cot x = \cos x / \sin x. Tome u=sinxu = \sin x, du=cosxdxdu = \cos x\, dx. Integral: duu=lnsinx+C\int \frac{du}{u} = \ln|\sin x| + C.
  16. Ex. 84.16ApplicationAnswer key

    Calcule e5xdx\int e^{5x}\, dx.

    Show solution
    Tome u=5xu = 5x, du=5dxdu = 5\, dx. Integral: 15e5x+C\frac{1}{5} e^{5x} + C.
  17. Ex. 84.17Application

    Calcule x2x3+1dx\int \frac{x^2}{x^3 + 1}\, dx.

    Show solution
    Tome u=x3+1u = x^3 + 1, du=3x2dxdu = 3x^2\, dx. Integral: 13duu=lnx3+13+C\frac{1}{3}\int \frac{du}{u} = \frac{\ln|x^3+1|}{3} + C.
  18. Ex. 84.18UnderstandingAnswer key

    Qual substituição uu é mais adequada para calcular 3x2(x3+1)4dx\int 3x^2(x^3+1)^4\, dx?

    Select the correct option
    Select an option first
    Show solution
    Para 3x2(x3+1)4dx\int 3x^2(x^3+1)^4\, dx: a expressão "interna" da potência é x3+1x^3+1, e (x3+1)=3x2(x^3+1)' = 3x^2 aparece exatamente no integrando. Logo u=x3+1u = x^3+1. Opção A: (x2)=2x3x2(x^2)' = 2x \neq 3x^2. Opção C: 3x23x^2 é o fator multiplicativo, não a substituição. Opção D: (x2+1)=2x(x^2+1)' = 2x, não aparece no integrando.
  19. Ex. 84.19Understanding

    Ao tentar usar substituição u=g(x)u = g(x), percebe-se que o g(x)g'(x) está multiplicado por uma constante diferente de 1. O que fazer?

    Select the correct option
    Select an option first
    Show solution
    Quando o integrando tem f(g(x))f(g(x)) mas apenas kg(x)k \cdot g'(x) para alguma constante kk, pode-se multiplicar e dividir por kk: f(g(x))kg(x)dx/k\int f(g(x)) \cdot k g'(x)\, dx / k. Constantes saem da integral — mas funções de xx não. Opção A é incorreta — ajuste de constante é sempre válido. Opções C e D não se aplicam ao cenário.
  20. Ex. 84.20Application

    Calcule 0π/4esin2xsinxcosxdx\int_0^{\pi/4} e^{\sin^2 x} \sin x \cos x\, dx.

    Show solution
    Troca de limites: u(0)=0u(0) = 0, u(π/4)=1/2u(\pi/4) = 1/2. u=sin2xu = \sin^2 x, du=2sinxcosxdxdu = 2\sin x \cos x\, dx. Integral: 1201/2eudu=12(e1/21)=e12\frac{1}{2}\int_0^{1/2} e^u\, du = \frac{1}{2}(e^{1/2} - 1) = \frac{\sqrt{e}-1}{2}.
    Show step-by-step (with the why)
    1. Identifique: esin2xe^{\sin^2 x} e o fator sinxcosx=12sin2x\sin x \cos x = \frac{1}{2}\sin 2x. Tome u=sin2xu = \sin^2 x.
    2. Calcule: du=2sinxcosxdxdu = 2\sin x \cos x\, dx, logo sinxcosxdx=du/2\sin x \cos x\, dx = du/2.
    3. Troque os limites: u(0)=0u(0) = 0, u(π/4)=sin2(π/4)=1/2u(\pi/4) = \sin^2(\pi/4) = 1/2.
    4. Integral: 1201/2eudu=12[eu]01/2=e1/212\frac{1}{2}\int_0^{1/2} e^u\, du = \frac{1}{2}[e^u]_0^{1/2} = \frac{e^{1/2}-1}{2}.
    Observação: a combinação sinxcosx\sin x \cos x no integrando é o "aviso" de que a substituição u=sin2xu = \sin^2 x (ou equivalentemente u=cos2xu = \cos^2 x) vai funcionar.
  21. Ex. 84.21Application

    Calcule tan3xsec2xdx\int \tan^3 x \sec^2 x\, dx.

    Show solution
    Tome u=tanxu = \tan x, du=sec2xdxdu = \sec^2 x\, dx. Integral: u3du=tan4x4+C\int u^3\, du = \frac{\tan^4 x}{4} + C.
  22. Ex. 84.22Application

    Calcule 12x2(x3+1)4dx\int_1^2 x^2(x^3 + 1)^4\, dx.

    Show solution
    Troca de limites: u(1)=2u(1) = 2, u(2)=5u(2) = 5. Integral: 25u4du/3=13[u5/5]25=115(5525)=31253215=309315=206,2\int_2^5 u^4\, du/3 = \frac{1}{3}[u^5/5]_2^5 = \frac{1}{15}(5^5 - 2^5) = \frac{3125 - 32}{15} = \frac{3093}{15} = 206{,}2.
  23. Ex. 84.23Modeling

    Um fundo de renda fixa tem taxa de aporte de R$ 500 por mês com crescimento exponencial: r(t)=500e0,08tr(t) = 500 e^{0{,}08t} reais por mês. Calcule o saldo acumulado após 12 meses.

    Show solution
    Saldo após TT meses: S(T)=0T500e0,08tdtS(T) = \int_0^T 500 e^{0{,}08t}\, dt. Tome u=0,08tu = 0{,}08t, du=0,08dtdu = 0{,}08\, dt. Resultado: 5000,08[e0,08t]012=6250(e0,961)6250×1,61110069\frac{500}{0{,}08}[e^{0{,}08t}]_0^{12} = 6250(e^{0{,}96} - 1) \approx 6250 \times 1{,}611 \approx 10069 reais.
  24. Ex. 84.24Application

    Calcule xcos(x2)dx\int x\cos(x^2)\, dx.

    Show solution
    Tome u=x2u = x^2, du=2xdxdu = 2x\, dx. Integral: 12cosudu=sin(x2)2+C\frac{1}{2}\int \cos u\, du = \frac{\sin(x^2)}{2} + C.
  25. Ex. 84.25ApplicationAnswer key

    Calcule 1(1+x)xdx\int \frac{1}{(1+\sqrt{x})\sqrt{x}}\, dx.

    Show solution
    Tome u=1+xu = 1 + \sqrt{x}. Então du=1/(2x)dxdu = 1/(2\sqrt{x})\, dx, logo dx/x=2dudx/\sqrt{x} = 2\, du. Integral: 2duu=2ln1+x+C\int \frac{2\, du}{u} = 2\ln|1 + \sqrt{x}| + C.
    Show step-by-step (with the why)
    1. Tome u=1+xu = 1 + \sqrt{x}. Calcule du=12xdxdu = \frac{1}{2\sqrt{x}}\, dx, logo dxx=2du\frac{dx}{\sqrt{x}} = 2\, du.
    2. Reescreva: 1(1+x)xdx=2duu\int \frac{1}{(1 + \sqrt{x})\sqrt{x}}\, dx = \int \frac{2\, du}{u}.
    3. Integre: 2lnu+C=2ln1+x+C2\ln|u| + C = 2\ln|1+\sqrt{x}| + C (e 1+x>01+\sqrt{x} > 0, então módulo desnecessário).
    Macete: quando há x\sqrt{x} no denominador junto com uma expressão contendo x\sqrt{x}, experimente u=(expressa˜o com x)u = \text{(expressão com } \sqrt{x}).
  26. Ex. 84.26Application

    Calcule 0πcos(sinx)cosxdx\int_0^\pi \cos(\sin x) \cos x\, dx. (Dica: observe os limites após a substituição.)

    Show solution
    Troca de limites: u(0)=0u(0) = 0, u(π)=0u(\pi) = 0 (retorna ao mesmo valor!). Portanto a integral é zero: 00cosudu=0\int_0^0 \cos u\, du = 0. (Verificação direta: antiderivada cos(sinx)/1-\cos(\sin x)/1... mas como sin0=sinπ=0\sin 0 = \sin\pi = 0, a diferença é zero.)
  27. Ex. 84.27Challenge

    Calcule exe2x+1dx\int \frac{e^x}{e^{2x} + 1}\, dx.

    Show solution
    Tome u=exu = e^x, du=exdxdu = e^x\, dx. Integral: duu2+1=arctanu+C=arctan(ex)+C\int \frac{du}{u^2+1} = \arctan u + C = \arctan(e^x) + C.
  28. Ex. 84.28Challenge

    Tente calcular sec3xdx\int \sec^3 x\, dx por substituição. Identifique por que a substituição simples falha aqui, e escreva a resposta (que requer integração por partes, Lição 85).

    Show solution
    Escreva: sec3x=secxsec2x\sec^3 x = \sec x \cdot \sec^2 x. Tome u=secxu = \sec x, du=secxtanxdxdu = \sec x \tan x\, dx. Mas o integrando tem sec2x\sec^2 x, não tanx\tan x. A substituição simples não funciona — este caso requer integração por partes (Lição 85). Resposta: sec3xdx=12(secxtanx+lnsecx+tanx)+C\int \sec^3 x\, dx = \frac{1}{2}(\sec x \tan x + \ln|\sec x + \tan x|) + C.
  29. Ex. 84.29ProofAnswer key

    Demonstre que f(ax+b)dx=1aF(ax+b)+C\int f(ax + b)\, dx = \frac{1}{a} F(ax + b) + C onde F=fF' = f e a0a \neq 0.

    Show solution
    Queremos verificar o caso geral de ajuste de constante: se f(u)du=F(u)+C\int f(u)\, du = F(u) + C, então f(ax+b)dx=1aF(ax+b)+C\int f(ax + b)\, dx = \frac{1}{a}F(ax+b) + C. Tome u=ax+bu = ax + b, du=adxdu = a\, dx, então dx=du/adx = du/a. Integral: f(u)dua=1aF(u)+C=1aF(ax+b)+C\int f(u) \cdot \frac{du}{a} = \frac{1}{a}F(u) + C = \frac{1}{a}F(ax+b) + C. Verificação por derivação: ddx[1aF(ax+b)]=1aF(ax+b)a=F(ax+b)=f(ax+b)\frac{d}{dx}\left[\frac{1}{a}F(ax+b)\right] = \frac{1}{a} \cdot F'(ax+b) \cdot a = F'(ax+b) = f(ax+b).
  30. Ex. 84.30Modeling

    Um veículo tem aceleração a(t)=10e0,5ta(t) = 10e^{-0{,}5t} m/s², partindo do repouso (v(0)=0v(0) = 0). Encontre v(t)v(t) usando substituição e calcule a velocidade em t=4t = 4 s.

    Show solution
    Velocidade: v(t)=a(t)dtv(t) = \int a(t)\, dt. Tome u=0,5tu = -0{,}5t, du=0,5dtdu = -0{,}5\, dt. v(t)=10e0,5tdt=20e0,5t+Cv(t) = \int 10 e^{-0{,}5t}\, dt = -20e^{-0{,}5t} + C. Com v(0)=0v(0) = 0: C=20C = 20, logo v(t)=20(1e0,5t)v(t) = 20(1 - e^{-0{,}5t}). Em t=4t = 4: v(4)=20(1e2)20×0,865=17,3v(4) = 20(1 - e^{-2}) \approx 20 \times 0{,}865 = 17{,}3 m/s.
    Show step-by-step (with the why)
    1. Integre a(t)=10e0,5ta(t) = 10e^{-0{,}5t} por substituição: u=0,5tu = -0{,}5t, resultado v(t)=20e0,5t+Cv(t) = -20e^{-0{,}5t} + C.
    2. Use v(0)=0v(0) = 0: 20+C=0C=20-20 + C = 0 \Rightarrow C = 20.
    3. Logo v(t)=20(1e0,5t)v(t) = 20(1 - e^{-0{,}5t}) m/s.
    4. Avalie em t=4t = 4: v(4)=20(1e2)17,3v(4) = 20(1 - e^{-2}) \approx 17{,}3 m/s.
    Curiosidade: este é o modelo de velocidade terminal — o veículo se aproxima assintoticamente de 20 m/s sem jamais atingir (resistência do ar proporcional à velocidade).

Fontes

Updated on 2026-05-06 · Author(s): Clube da Matemática

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